Požární ochrana historických litinových sloupů. Jak může požárně inženýrský přístup rozšířit normové posuzování reaktivních nátěrů

Stanovení požární odolnosti historických konstrukcí představuje problematickou oblast požární bezpečnosti staveb. Řada materiálů používaných v 19. a na počátku 20. století není v současných normách explicitně uvedena nebo pro ně nejsou stanoveny návrhové postupy. Projektant se tak dostává do situace, kdy nelze aplikovat normové postupy, ale ani tabulková či katalogová řešení. Typickým příkladem jsou litinové sloupy, jejichž chování při požáru je výrazně odlišné od běžné konstrukční oceli.

Jedním z hlavních rozdílů je riziko křehkého lomu, ke kterému může dojít prudkým ochlazením materiálu během požárního zásahu. Logickou ochranou se jeví použití reaktivních požárních nátěrů, jejichž aplikace je však normově omezena požární výškou objektu nebo maximální požadovanou dobou požární odolnosti podle ČSN 73 0810 [1]. Historické stavby tato omezení přirozeně nereflektují, neboť vznikly v době, kdy současné normové požadavky neexistovaly. V článku ukazujeme, jak lze tuto normovou mezeru překlenout pomocí požárně inženýrského přístupu tak, aby navržená ochrana byla fyzikálně zdůvodněná a současně obhajitelná v rámci § 99 zákona o požární ochraně [2].

Shrnutí hlavních poznatků:

• Litina není „jiná“ ocel bez certifikátu – je to materiál s odlišným způsobem porušení.
• Normová teplotní křivka není univerzální reprezentací skutečného požáru.
• Pokud je vše inženýrsky doloženo, reaktivní nátěr může být aplikovatelný i mimo omezení.

Motivace: kde končí norma a začíná inženýrství

Požáry v budovách představují nejen značné ohrožení majetku, ale i vážné riziko pro zdraví a životy lidí. Vzhledem k tomu, že úplné vyloučení požárů není možné, klíčovým cílem je snížení jejich počtu a minimalizace škod. Tohoto cíle lze dosáhnout prostřednictvím účinných preventivních opatření v oblasti požární bezpečnosti, která se uplatňují již ve fázi návrhu a výstavby objektů. Požární bezpečnost staveb je jedním ze základních požadavků na veškeré novostavby. V praxi zahrnuje dispoziční řešení budov, odolnosti konstrukcí, požadavky na materiály, technické zařízení budov a požárně bezpečnostní zařízení. Při zpracování dokumentace požární bezpečnosti staveb je proto třeba brát v úvahu nejen bezpečný únik osob z objektu, ale také například posouzení požárně nebezpečného prostoru (zohlednění možnosti rozšíření požáru na sousední objekty), bezpečný a účinný požární zásah nebo stanovení požární odolnosti stavebních konstrukcí.

Obr. 1 – Celkový pohled na areál, v němž se nachází budova, jejíž část byla předmětem expertizy.

Zde se ale v praxi často ukazuje rozdíl mezi „normovým“ a „konstrukčním“ pohledem na problém. Projektant PBŘ (Požárně bezpečnostního řešení) musí zohledňovat řadu faktorů a obvykle má detailní přehled v požadavcích Požárního kodexu, avšak v mnoha případech není schopen posoudit dopady účinků požáru na hlavní nosnou konstrukci objektu a stanovit tak požární odolnost této konstrukce. Naopak běžný statik (ve smyslu návrhu konstrukce za běžné teploty) zpravidla nemá pokročilé znalosti v oblasti teplotní analýzy v požárním úseku, tedy důležitého kroku pro stanovení požární odolnosti stavebních konstrukcí.

Jedním z nástrojů, který se pro posuzování stavebních konstrukcí při požáru často používá, je normová teplotní křivka. Ta je uvažována jako univerzální návrhová křivka (pro většinu řešených objektů), ale její aplikace může být limitovaná, a to zejména pro velké prostory (ať už s ohledem na podlahovou plochu, nebo objem). Jelikož tato křivka byla původně vyvinuta pro zkušebnictví (viz dále v článku), je otázkou, zda je vhodné ji aplikovat i v případě posuzování konstrukcí starších 100 let nebo moderní hybridní konstrukce.

Vývoj norem však ukazuje trend hledání kompromisu mezi jednoduchostí a rychlostí návrhu na jedné straně a jeho přesností a efektivitou na straně druhé. V minulosti byla pro posuzování konstrukcí používána norma ČSN 73 0821 [3], která byla založena primárně na provedených experimentálních zkouškách. Tato norma jasně definovala stavební konstrukce na základě popisu a grafických nákresů. Norma byla sice velice uživatelsky přehledná a jasná, ale zároveň nezahrnovala některé detaily a v mnoha případech ani celé konstrukce. Současné postupy pro posouzení požární odolnosti konstrukcí jsou založené na Eurokódech, které stanovují požární odolnost na základě širšího spektra parametrů (např. poměru mezi zatížením a únosností prvku). Přesto i zde existují limity – typicky u spojů, detailů, atypických skladeb nebo právě u historických konstrukcí.

Obr. 2 – Pohled na budovu Nové přádelny s červeně vyznačenou částí, která byla předmětem expertizy.

Rekonstrukce a úpravy historických objektů mohou být komplikované zejména tehdy, pokud neexistuje projektová dokumentace nebo pokud jsou použity materiály a konstrukční detaily, které současné normy nezohledňují. V takových případech se sice běžně využívají tabulkové hodnoty požární odolnosti konstrukce podle Požárního kodexu (ČSN 73 0821 ed. 2 [3] a ČSN 73 0834, Příloha D [4]). Co když ale daná konstrukce, jako litinový sloup, v normě není uvedena, nebo reálný (aktuální) stav konstrukce není v ideálním stavu? Tyto odlišnosti by vždy měly být detailně posouzeny a zohledněny.

Koncept požární odolnosti konstrukcí, jak jej známe dnes, má své kořeny na přelomu 19. a 20. století (první provedené zkoušky v USA). Až do začátku 20. století nebyla požární odolnost jako samostatný parametr běžně měřena ani regulována – pozornost byla věnována spíše klasifikaci materiálů na hořlavé a nehořlavé. Jak ukazují historické analýzy [5] a [6], první kontrolované požární zkoušky byly prováděny v Berlíně a Londýně v 90. letech 19. století. Zásadní změnou bylo zavedení tzv. normové požární křivky, která umožnila porovnávání konstrukčních prvků nebo celých konstrukčních systémů. V USA byla formulována v roce 1917 (ASTM E119) a okolo roku 1985 se v Evropě ustálila norma ISO 834 s mírnou úpravou [7], která definovala právě normovou teplotní křivku.

Tento příspěvek vychází z expertního posudku zpracovaného na základě objednávky společnosti FABRIKA 1861 a jeho projektu Nová přádelna Semily, který vzešel z potřeby odborně posoudit možnosti požární ochrany litinových sloupů umístěných v sálech staré přádelny. Řešený objekt je zobrazen na obrázku 1 a obrázku 2. V rámci expertizy byly posuzovány litinové sloupy, jejichž zachování bylo, z hlediska architektury a využití posuzovaných prostor jako reprezentativní části, klíčové. Posudek se proto zaměřuje na vývoj teplot v požárních úsecích výstavního charakteru s nižším požárním rizikem a vliv těchto teplot na litinové sloupy s aplikovaným požárně ochranným nátěrem, jehož účinnost v současné době není pro litinu certifikována.

Proč nelze použít normové řešení

Jak již bylo zmíněno, historické stavby byly postaveny před vznikem Požárního kodexu, který byl uveden v platnost v roce 1977. Je tedy zřejmé, že pro řešené historické litinové konstrukce v současné době chybí certifikovaná řešení požární ochrany, nebo platné certifikáty již propadly.

Pokud normové řešení není k dispozici, je nutné přistoupit k individuálnímu posouzení a využít požárně inženýrský přístup dle § 99 zákona č. 133/1985 Sb., o požární ochraně [2]. Odlišný postup využitý v rámci požárního inženýrství lze považovat za přijatelný, pokud prokazatelně zajišťuje alespoň stejnou úroveň požární bezpečnosti, jakou vyžadují platné normové předpisy, a zároveň je podložen zdůvodněnými požárními scénáři, detailním popisem teplotního zatížení a odezvy konstrukce. V případě litinových sloupů to znamená zejména: stanovit nejpravděpodobnější požární scénáře, určit kritickou teplotu litiny na základě výzkumných dat [8], [9], [10] a ověřit účinnost nátěru výpočtem či simulací, případně s využitím zjednodušených predikčních přístupů pro intumescentní systémy [11].

Proč nebyla využita normová teplotní křivka

Pro pochopení omezení normové teplotní křivky je nejprve nutné stručně přiblížit její vznik a původní účel. Stanovování požární odolnosti stavebních konstrukcí je v současné praxi neoddělitelně spojeno s aplikací normové teplotní křivky podle EN 1991-1-2 [12]. Tento princip je natolik zakořeněn, že bývá implicitně považován za reprezentaci skutečného požáru. Historická analýza však ukazuje, že normová teplotní křivka vznikla primárně jako laboratorní nástroj pro klasifikaci požární odolnosti konstrukcí v peci, nikoli jako fyzikálně věrný model reálného požáru.

Podrobný rozbor vzniku normové teplotní křivky přináší studie Gales, Chorlton a Jeanneret [7], která ukazuje, že současná podoba teplotně-časového průběhu je výsledkem konsenzu odborníků a vědců z období let 1896–1933. V tomto období byly různé experimentální programy sjednoceny do jednoho „univerzálního“ zatěžovacího režimu. Současně Gales a kol. [7] konstatují, že neexistuje dochovaný vědecký dokument, který by jednoznačně vysvětloval fyzikální význam jednotlivých bodů normové teplotní křivky. Normová teplotní křivka tedy nepředstavuje analyticky odvozený model konkrétního typu požáru, ale kompromis mezi historickými experimentálními možnostmi a snahou o univerzální nástroj pro posuzování konstrukčních prvků.

Obr. 3 – Srovnání průběhů požárů od M. Law s normovou teplotní křivkou [14].

Je třeba zdůraznit, že normová teplotní křivka vznikala v době, kdy požární dynamika jako samostatná disciplína prakticky neexistovala. Experimenty byly prováděny v pecích vytápěných dřevem či plynem, a především s omezenou regulací. Hlavním cílem bylo vytvořit reprodukovatelný laboratorní postup, který umožní porovnání různých konstrukčních systémů. Nešlo o simulaci konkrétní budovy ani konkrétního požárního scénáře. Normová teplotní křivka tak byla od počátku koncipována jako klasifikační nástroj, nikoli jako návrhový model.

Normová teplotní křivka je stále rostoucí funkcí bez fáze ochlazování. Nezohledňuje vliv ventilace, geometrii prostoru ani množství a charakter požárního zatížení. Reálný požár v uzavřeném prostoru je přitom dynamický proces zahrnující fázi iniciace, rozvoje, plného rozvinutí i následného chladnutí. Teplotní pole je zpravidla nerovnoměrné a výrazně závislé na proudění vzduchu a distribuci paliva. Zásadní význam má rovněž absence ochlazovací fáze. Právě u litiny může být fáze ochlazování kritická z hlediska vzniku trhlin, redistribuce napětí nebo náhlého porušení.

Již v průběhu 20. století se objevovaly názory, že normová teplotní křivka nereprezentuje skutečný požár. Například ve studii provedené Law [14], uvažující velikost požárního zatížení od 15 do 30 kg/m2 a proměnnou výšku otvorů, bylo zjištěno, že ani v jednom případě není dosaženo průběhu teploty plynů v čase tak, jak predikuje normová teplotní křivka, viz obrázek 3. Nutno podotknout, že uvažovaná horní hodnota požárního zatížení 30 kg/m2 vyjadřuje z praktického hlediska spíše nižší hodnotu – pro běžný rodinný dům je uvažováno s požárním zatížením 40–60 kg/m2.

Postupem času došlo k posunu ve vnímání normové teplotní křivky. Z původně klasifikační metody se stal de facto návrhový nástroj. Hodnota požární odolnosti získaná ve zkušební peci vyjádřená v minutách začala být interpretována jako doba, po kterou konstrukce „odolá veškerému požáru“. Ve skutečnosti však jde o dobu odolnosti konstrukce v laboratorních, a tedy nikoli reálných, podmínkách.

Tento problém se výrazně projevuje zejména u staveb vzniklých na přelomu 19. a 20. století, které často vykazují odlišnou prostorovou koncepci ve srovnání s novodobými objekty. Typická je například větší otevřenost dispozic, vyšší podlažní výšky a kombinace materiálů, jako jsou litina, ocel, zdivo a dřevo. Jejich konstrukční systémy nebyly navrženy s ohledem na současné požadavky požární bezpečnosti, a proto je nelze jednoduše převést do dnešního tabulkového systému. Zvláštní pozornost si zasluhují litinové sloupy, které jsou typickým prvkem průmyslových staveb 19. století. Litina se vyznačuje křehkým lomovým chováním a velmi nízkou tažností. Na rozdíl od konstrukční oceli nevykazuje plastizaci po dosažení meze kluzu. Je citlivá na tahová napětí a na teplotní gradienty.

Oproti oceli je litina významně citlivější na rozdíly mezi požární zkouškou v laboratorních podmínkách a vystavením reálnému průběhu požáru. Požární zkoušky podle normové teplotní křivky v peci vytváří relativně homogenní teplotní pole, zatímco skutečný požár může způsobit lokální přehřátí nebo výrazné teplotní rozdíly mezi jednotlivými částmi průřezu. U rozsáhlých historických prostor, například bývalých průmyslových hal, je navíc průběh požáru silně ovlivněn ventilací a velikostí prostoru. Použití normové teplotní křivky bez dalšího zamyšlení nad dopady tak může vést buď k nadměrně konzervativnímu návrhu, nebo naopak k nedostatečnému zohlednění kritických mechanismů porušení. V případech litinových sloupů je proto vhodné použití normové teplotní křivky doplnit nebo plně nahradit požárně inženýrským přístupem, například s využitím zónových modelů. Tyto modely umožňují numericky modelovat průběh teplot v požárním úseku dle předem definovaného požárního scénáře, a to pomocí studené a horké vrstvy v řešeném prostoru. Kromě plně rozvinutého požáru umožňují tyto modely uvažovat pouze lokální požár a následně stanovit teplotní odezvu konkrétního konstrukčního prvku v řešeném prostoru. Teprve na základě takového fyzikálně podloženého posouzení lze odpovědně navrhnout požární ochranu a obhájit její rozsah v rámci příslušného řešení.

I přes výše zmíněné zůstává normová teplotní křivka cenným nástrojem pro zkoušení a srovnávání konstrukcí. Při posuzování historických konstrukcí je však nezbytné vnímat její historický kontext, omezení a zohlednit mnoho dalších detailů, které mohou mít nepříznivý dopad na požární odolnost konstrukce.

Požární scénáře a individuální posouzení
litinových sloupů – nová přádelna semily

Jak již bylo zmíněno, pokud má být návrh požární ochrany historických litinových sloupů fyzikálně zdůvodněný, nelze vycházet pouze z formální aplikace normové teplotní křivky. Prvním krokem musí být stanovení realisticky předpokládaného požárního zatížení konkrétního objektu nebo jeho řešené části. Teprve následně lze analyzovat teplotní odezvu litinových prvků a rozhodnout o potřebě a rozsahu požární ochrany.

Obr. 4 – Interiér části objektu Nové přádelny, která byla předmětem expertizy.

Posuzovaný objekt, bývalá průmyslová hala adaptovaná pro kulturní využití, představuje objemný prostor s vyššími stropy a oproti původnímu provozu textilní výroby odlišným, lokálně situovaným požárním zatížením. Současný galerijní sál s minimálním mobiliářem, kontrolovaným provozem a moderními bezpečnostními opatřeními tak nepředstavuje srovnatelný scénář s dřívější prašnou textilní výrobou. Ukázka posuzovaného prostoru je znázorněna na obrázku 4.

Z hlediska expertizy bylo nezbytné nejprve analyzovat požární scénáře s ohledem na skutečné množství a rozložení požárního zatížení, podmínky ventilace a geometrii prostoru. U otevřených sálů se často ukazuje, že požár má charakter lokálního požáru a teplotní pole není v celém prostoru homogenní. Pro tyto situace mohou být vhodnější zónové modely nebo koncept „travelling fire“ (pohyblivý požár), který lépe vystihuje postupné šíření požáru prostorem. V rámci této expertizy byl pro stanovení časového průběhu teplot využit zónový model, který umožnil stanovení vývoje teplot horké vrstvy s ohledem na objem prostoru a ventilaci. Cílem nebylo vytvářet nadměrně komplexní model, ale stanovit realistický a současně konzervativní teplotní průběh odpovídající skutečnému využití objektu. Na obrázku 5 jsou znázorněny použité rychlosti uvolňování tepla neboli HRR (Heat Release Rate), odpovídající uvažovaným požárním scénářům.

Obr. 5 – Průběh HRR definovaný pro jednotlivé požární scénáře použité v numerickém modelování.

Teprve po stanovení průběhu teplot v rámci požárních scénářů bylo možné přistoupit k analýze teplotní odezvy litinových sloupů. Zásadní je zde řešení přestupu tepla mezi okolním prostředím a litinovým sloupem. Historické litinové sloupy jsou zpravidla tlustostěnné kruhové uzavřené průřezy. Modelování proto bylo provedeno jako nestacionární úloha sdílení tepla. Schematické rozdělení jednoho sálu, připravený numerický model a jeho výstupy jsou uvedeny na obrázku 6 až obrázku 11.

Klíčovým krokem bylo stanovení kritické teploty, při níž stále ještě nehrozí v případě prudkého zchlazení v rámci požárního zásahu prasknutí sloupu. Pro účely posouzení byla pro litinové sloupy zvolena teplota 350 °C [8], [9], [10], se kterou byly následně porovnávány výsledky numerických simulací (zároveň se jedná i o nejmenší možnou návrhovou teplotu pro stanovení tloušťky ochranného požárního nátěru). V expertize bylo dále provedeno ověření součinitele průřezu s ohledem na proměnlivost průřezu po výšce sloupu, a především s ohledem na jeho okrasnou hlavicí, viz obrázek 12. Pro možné stanovení tloušťky nátěru bylo doporučeno uvažovat součinitel průřezu Am/V = 175 m^–1.

Součástí analýzy bylo i zohlednění účinku reaktivního (intumescentního) nátěru. Aby bylo možné vyhodnotit nejen výsledné snížení teploty litiny, ale i samotnou funkční logiku systému, byla do interpretace výsledků zahrnuta tepelněizolační vrstva s teplotně závislými parametry. U intumescentních nátěrů je totiž nutné ověřit dvě podmínky – za prvé, že dojde k aktivaci těchto nátěrů při dosažení předepsané teploty, a za druhé, že do okamžiku aktivace nedojde k nadměrnému ohřevu chráněného prvku. V případě prostor s lokálním požárem může rozhodovat situace, kdy je požár natolik omezený, že nátěr aktivuje pouze částečně.

 

Obr. 6 – Schematické očíslování sloupů pro následné vyhodnocování a zákres poloh požárních scénářů.

Obr. 7 – Vytvořený 3D zónový model.

Po fyzikálním vyhodnocení teplotního zatížení a odezvy konstrukce bylo možné přejít k rozebrání normového omezení. Norma ČSN 73 0810 [1] omezuje použití reaktivních nátěrů zejména z hlediska požární výšky objektu a maximální požadované doby požární odolnosti. Tato omezení jsou koncipována primárně pro novostavby a typizovaná řešení. Historická stavba však vznikla před požárním kodexem a její konstrukční systém (výška k poslednímu podlaží) s těmito limity nekoresponduje.

Obr. 8 – Grafický výstup ze zónového modelu pro požární scénář požáru stánku s umělým textilem a PVC bannery.

V expertize bylo proto řešení formulováno jako odlišný postup dle § 99 zákona č. 133/1985 Sb., o požární ochraně [2]. Smyslem tohoto postupu není obcházet normu, ale doložit rovnocennou úroveň bezpečnosti na základě výpočtu a transparentně stanovených kritérií přijatelnosti. Rozdíl mezi tvrzením, že systém „není certifikovaný pro litinu“, a tvrzením, že jej „nelze použít“, je zásadní. Absence certifikátu neznamená fyzikální nemožnost aplikace – znamená pouze nutnost individuálního prokázání účinnosti. Výstupem posouzení tak není pouhé konstatování splnění tabulkového požadavku, ale technicky podložené tvrzení, že při definovaných požárních scénářích nedojde k překročení stanovené limitní teploty litiny, reaktivní nátěr se včas aktivuje a teplotní odezva sloupu zůstává v bezpečném rozsahu.

Reaktivní nátěr není zakázán –
je pouze nutné prokázat jeho funkci

Tím se uzavírá kruh mezi požární dynamikou, tepelnou analýzou konstrukce a normovým rámcem. Namísto aplikace tabulkového řešení byl zvolen postup založený na fyzikálním modelu, numerickém výpočtu a odpovědném inženýrském úsudku. Právě zde se ukazuje, kde má norma své pochopitelné limity jako univerzální zjednodušení a kde začíná potřebné individuální posouzení.

Modelování v expertize umožnilo stanovit fyzikálně podložené teplotní zatížení konstrukcí, respektující geometrii prostoru, polohu požáru a podmínky ventilace. Výsledkem nebylo pouze získání maximální teploty, ale především kompletní časový průběh teplotního pole, který je rozhodující pro posouzení únosnosti konstrukčních prvků za požáru.

Robustnost konstrukce a scénář selhání
jednoho sloupu

Otázka robustnosti konstrukce se v rámci řešení této expertizy objevila až v průběhu projednávání navrženého postupu s HZS Libereckého kraje. Vzhledem k tomu, že ochrana historických litinových sloupů byla řešena individuálním požárně inženýrským přístupem, zazněla při konzultacích logická otázka: jaké by byly následky, pokud by navzdory navržené ochraně jeden ze sloupů i přes navrženou ochranu selhal?

Taková úvaha je u historických konstrukcí zcela oprávněná. Nestačí pouze prokázat, že při uvažovaném požárním scénáři nedojde k překročení limitní kritické teploty materiálu, je také vhodné prověřit, jak by se konstrukční systém zachoval v případě lokální poruchy jednoho z nosných prvků, což odpovídá uvažovaným lokálním požárům.

 

Obr. 9 – Vypočtené teploty na sloupu 8 v rámci požárního scénáře požáru stánku s umělým textilem a PVC bannery.

Obr. 10 – Vypočtené teploty na sloupu 44 v rámci požárního scénáře požáru stánku s umělým textilem a PVC bannery.

V evropském normovém rámci je tato problematika popsána jako princip robustnosti konstrukce podle ČSN EN 1991-1-7 [15]. Robustnost zde znamená schopnost konstrukčního systému odolat lokálnímu poškození bez vzniku progresivního kolapsu, tedy situace, kdy by rozsah zřícení byl nepřiměřený příčině, která poruchu vyvolala.

Rozsah požadovaného posouzení přitom závisí na významu stavby, jenž je v evropských normách vyjádřen prostřednictvím tříd následků (Consequence Classes). Posuzovaný objekt byl z hlediska svého využití a očekávané koncentrace osob zařazen do třídy CC2, která odpovídá běžným veřejným budovám středního významu. Pro tuto kategorii se nepředpokládá detailní analýza progresivního kolapsu v rozsahu kritické infrastruktury, ale je nutné doložit, že konstrukce není nepřiměřeně citlivá na lokální poruchu jednoho nosného prvku. Vlastní přístup k posouzení byl založen na dvou navazujících úvahách. První se týkala pravděpodobnosti samotné iniciační události, tedy poruchy litinového sloupu vlivem požáru. Druhá pak hodnotila následky takové poruchy na úrovni celého konstrukčního systému.

Obr. 11 – Vypočtené teploty na sloupu 32 v rámci požárního scénáře požáru stánku s umělým textilem a PVC bannery.

Navržený reaktivní protipožární nátěr zde nepředstavuje pouze prostředek pro splnění požadavku na požární odolnost jednotlivého prvku, ale především přispívá ke snížení pravděpodobnosti přehřátí litiny na kritickou teplotu. V tomto smyslu působí jako dodatečná preventivní vrstva, která omezuje pravděpodobnost vzniku iniciační poruchy v kritickém prvku nosného systému.

Aby bylo možné tuto skutečnost doložit nejen kvalitativně, ale i kvantitativně, bylo posouzení doplněno o studii spolehlivosti. Vedle nominálních parametrů nátěru byly do pravděpodobnostního modelu zahrnuty i reálné nejistoty spojené s jeho aplikací a funkčními vlastnostmi, například rozptyl tloušťky ochranné vrstvy, možné lokální poruchy této vrstvy, variabilita efektivní vodivosti napěněné vrstvy nebo rozptyl parametrů požárního scénáře. Výsledkem bylo stanovení pravděpodobnosti překročení kritické teploty litiny a odpovídajícího indexu spolehlivosti, který byl následně porovnán s cílovými hodnotami indexu spolehlivosti pro třídu následků CC2.

Tento krok prokázal, že navržený ochranný systém není založen pouze na jednom deterministickém výpočtu, ale vykazuje dostatečnou rezervu i při zohlednění reálných nejistot. Protipožární nátěr tak nepůsobí pouze jako ochrana jednotlivého prvku, ale současně snižuje pravděpodobnost vzniku kritického scénáře z hlediska robustnosti konstrukce. Takto formulovaný přístup odpovídá požadavkům normy EN 1991-1-7 [15] pro stavby třídy CC2, kde je robustnost zajišťována zejména vhodným konstrukčním uspořádáním, kontinuitou spojů a provázáním prvků do jednoho statického systému. Současně lze robustnost posuzovat i prostřednictvím pravděpodobnostního hodnocení dodatečné ochrany a jejích dopadů na celkovou spolehlivost konstrukce.

Z pohledu požární bezpečnosti je důležité, že obě výše zmíněné úvahy hodnocení se vzájemně doplňují. Na jedné straně pravděpodobnostní analýza, která ukazuje, že přehřátí litinového sloupu je při uvažovaných scénářích velmi málo pravděpodobné, na straně druhé systémová úvaha o robustnosti potvrzuje, že i v případě takové poruchy by konstrukce jako celek neměla přejít do progresivního kolapsu.

Závěr

Provedené posouzení ukázalo, že fyzikálně založený postup – od definice požárních scénářů přes numerické vyhodnocení teplotního pole až po pravděpodobnostní kontrolu spolehlivosti – umožňuje transparentně doložit požární bezpečnost historických litinových sloupů i v situaci, kdy není k dispozici standardní certifikační rámec reaktivních nátěrů pro litinu nebo dané řešení není přípustné z pohledu norem. Numerické modely přenosu tepla potvrdily, že i při konzervativně zvolených vstupních parametrech (uvažování plně rozvinutého požáru 45 minut nebo HRR dosahující až 5,5 MW) nedochází k překročení kritické teploty litiny 350 °C, a to ani v nejrychleji se ohřívajících průřezech s vysokým poměrem A_m/V. Z hlediska nosné funkce je tento výsledek klíčový, protože právě překročení této teploty a následné prudké zchlazení při požárním zásahu by u litiny mohlo znamenat výrazné zvýšení rizika křehkého porušení.

Obr. 12 – Stanovení součinitele průřezu na litinovém sloupu.

Součástí ověření byla i funkčnost intumescentního nátěru. V posouzení bylo prokázáno, že při dosažení aktivační teploty (zhruba 180–250 °C) dochází k expanzi a vytvoření izolační vrstvy s nízkou účinnou tepelnou vodivostí, která významně omezuje další přestup tepla do sloupu. Z praktického hlediska to znamená, že ochrana nepůsobí pouze jako dodatečná rezerva, ale že stabilizuje teplotní odezvu sloupu ještě před dosažením kritické teploty litiny. V rámci lokálních požárů v bezprostřední blízkosti nosných prvků bylo zároveň ověřeno, že teplotní pole v okolí sloupů dosahuje hodnot dostatečných pro aktivaci nátěru, avšak teplota litiny zůstává s rezervou pod mezní hranicí pro křehký lom (nebo litina není vystavena takovým teplotám, aby nátěr musel reagovat), systém tedy vykazuje robustní chování i v situacích, kde je expozice krátkodobá, prostorově nerovnoměrná a rozhodující složkou je sálání.

Deterministický závěr byl doplněn studií spolehlivosti, která zahrnovala nejistoty typické pro reálnou aplikaci. Výsledkem byla velmi nízká pravděpodobnost překročení kritické teploty litiny, stanovená na úrovni P̂_f ≈ (1 – 3) × 10–4 (a to v případě požáru, kdy lze uvažovat, že požár vznikne s pravděpodobností P̂_f ≈ 1 × 10–4). Tyto hodnoty jsou v souladu s cílovou spolehlivostí pro třídu následků CC2 koncepce robustnosti a s akceptovatelnou mírou rizika při požáru, které je nižší než 10–6.

Na závěr lze říci, že reaktivní nátěr navržený pro historické litinové sloupy v objektu Nová přádelna společnosti FABRIKA 1861 zajišťuje udržení teploty litiny pod 350 °C ve všech uvažovaných požárních scénářích, poskytuje dostatečnou rezervu spolehlivosti a přitom umožňuje zachovat autentické historické prvky bez jejich zakrytí či nahrazení. V kombinaci s doložením rovnocennosti tohoto řešení vůči požadavkům normového návrhu požární odolnosti se tak jedná o technicky obhajitelný přístup, který naplňuje jak požadavky požárního inženýrství, tak princip individuálního technického řešení ve smyslu § 99 zákona č. 133/1985 Sb., o požární ochraně [2]. Konstrukce je na základě tohoto postupu hodnocena jako robustní a stabilní a z hlediska třídy následků CC2 vyhovující.

Poděkování

Autoři děkují společnosti FABRIKA 1861 a projektu Nová přádelna Semily (www.fabrika1861.cz/projekty/nova-pradelna) za vstřícnou spolupráci při zpracování expertizy a za umožnění publikace získaných poznatků.

Zvláštní poděkování patří investorovi za otevřený přístup k řešení požární bezpečnosti a za ochotu podstoupit komplexní posouzení nad rámec standardních normových postupů.

Poděkování náleží rovněž metodikům Hasičského záchranného sboru Libereckého kraje, s nimiž byly výstupy práce průběžně odborně konzultovány.

Reference

1. ČSN, ČSN 73 0810 – Požární bezpečnost staveb – Společná ustanovení, Praha: ÚNMZ
   (Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví), 2016.
2. Česká republika, Zákon č. 133/1985 Sb., o požární ochraně, Praha: Sbírka zákonů, 1985.
3. ČSN, ČSN 73 0821 ed. 2 – Požární bezpečnost staveb – Požární odolnost stavebních konstrukcí, Praha: ÚNMZ
   (Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví), 2007.
4. ČSN, ČSN 73 0834 – Požární bezpečnost staveb – Změny staveb (včetně změn Z1, Z2, Z3), Praha: ÚNMZ
   (Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví), 2011.
5. V. Babrauskas a R. B. Williamson, „The historical basis of fire resistance testing – Part I,“
   Fire Technology, sv. 14, č. 3, pp. 184–194, 1978.
6. V. Babrauskas a R. B. Williamson, „The historical basis of fire resistance testing – Part II,“
   Fire Technology, sv. 14, č. 3, pp. 304–316, 1978.
7. J. Gales, B. Chorlton a C. Jeanneret, „The historical narrative of the standard temperature – time heating curve for structures,“ Fire Technology, sv. 57, č. 2, pp. 529–558, 2021.
8. C. Maraveas, Y. C. Wang, T. Swailes a G. Sotiriadis, „An experimental investigation of mechanical properties
   of structural cast iron at elevated temperatures and after cooling down,“ Fire Safety Journal, pp. 340–352, 2015.
9. C. Maraveas, Y. C. Wang a T. Swailes, „Moment capacity of cast-iron beams exposed to fire,“
   Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Structures and Buildings, pp. 765–781, 2016.
10. C. Maraveas, Y. C. Wang a T. Swailes, „Elevated temperature behaviour and fire resistance of cast iron columns,“
    Fire Safety Journal, pp. 37–48, 2016.
11. G. Q. Li, J. Han, G. B. Lou a Y. C. Wang, „Predicting intumescent coating protected steel temperature in fire
    using constant thermal conductivity,“ Thin-Walled Structures, pp. 177–184, 2016.
12. ČSN EN, ČSN EN 1991-1-2 ed. 2 – Eurokód 1: Zatížení konstrukcí – Část 1–2: Obecná zatížení – Zatížení konstrukcí
    vystavených účinkům požáru, Praha: ÚNMZ (Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví), 2024.
13. P. Thomas a M. Law, „Fire Research Technical Paper No. 18, 1967 Ministry of Technology and Fire Offices’ Committee,“
    Joint Fire Research Organisation. HMSO, UK , 1967.
14. M. Law, „Paper No. 2 of Symposium No. 5, Fire resistance requirements of buildings – a new approach. 28 September 1971. Department of the Environment and Fire Offices’ Committee Joint,“ Fire Research Organization. HMSO, UK, 1971.
15. ČSN EN 1991-1-7. Eurokód 1: Zatížení konstrukcí – Část 1–7: Obecná zatížení – Mimořádná zatížení.
    Praha: Česká agentura pro standardizaci, 2007.